Afin d’augmenter les caractéristiques électromécaniques des polymères électroactifs, on a recours à l’introduction de particules conductrices ayant une permittivité importante dans une matrice polymère. La dispersion de ces particules provoque une accumulation des charges entre les deux milieux (matrice, particules). Ces charges ne participent pas seulement à la conduction, mais elles augmentent la polarisation inter faciale, donc la permittivité.
3.3.1 Définition d’un nanocomposite
Un nanocomposite est un matériau renforcé par des particules dont la taille est inférieure à 100 nm au moins dans une dimension et il résulte de l’association de matériaux de nature différente qui, de ce fait, ne se mélangent pas (non miscibles) et constituent une structure hétérogène. Cet assemblage confère au matériau résultant des propriétés qu’aucun des matériaux de départ ne possède individuellement.
Les composites avec des renforts µ-métriques ont montré certaines de leurs limites. Leurs propriétés résultent de compromis : l’amélioration de la résistance, par exemple, se fait au détriment de la plasticité ou de la transparence optique. Les nano-composites peuvent pallier à certaines de ces limites et présentent des avantages face aux composites classiques à renforts µ-métriques :
- Une amélioration significative des propriétés mécaniques notamment de la résistance sans compromettre la ductilité du matériau car la faible taille des particules ne crée pas de larges concentrations de contraintes.
- Une augmentation de la conduction et de la polarisation interfaciale (la permittivité) et de diverses propriétés notamment optiques qui ne s’expliquent pas par les approches classiques des composants.
La diminution de la taille des renforts que l’on insère dans la matrice conduit à une très importante augmentation de la surface des interfaces dans le composite. Or, c’est précisément cette interface qui contrôle l’interaction entre la matrice et les renforts, expliquant une partie des propriétés singulières des nano-composites. A noter que l’ajout de particules nanométriques améliore, de manière notable, certaines propriétés avec des fractions volumiques beaucoup plus faibles que pour les particules µ-métriques et que le seuil de percolation est atteint avec d ‘assez faibles taux de nanoparticules
Les nanorenforts ont au moins une de leurs dimensions morphologiques inférieure à 100 nm et peuvent être classés en fonction de leur géométrie :
Les nanoparticules, souvent de forme sphérique et de quelques nanomètres de diamètre).
Les nanofils (ex : nanotubes de carbone) ou nanofibres (fibres de polyester), de longueur variable et de quelques nanomètres de diamètre.
Les nano-feuillets (ex : nano-feuillets d’argile) ayant la forme d’une feuille de papier de quelques nanomètres d’épaisseur.
Figure 27 : Les différentes structures de nano-renfort (a). nanoparticules (b). nano-fils (c). nano-feuillets142
Cette partie a permis de mettre en avant les matériaux qui seront utilisés pour la suite de l’étude.
Comme indiqué dans la littérature143,les particules conductrices sont employées pour améliorer les propriétés d'électrostriction et aussi est une solution intéressante pour l’augmentation de la permittivité. La dispersion de particules conductrices provoque une accumulation de charges à la frontière entre les deux milieux(matrice, particules).Ces charges libres présentes dans le polymère ne contribuent pas seulement à la conduction, mais elles augmentent la polarisation interfaciale, donc la permittivité. L’étude expérimentale de la conduction d’un milieu statistiquement aléatoire, avec des inclusions conductrices et non conductrices, indique qu’en dessous d’une certaine concentration de ses inclusions, le milieu est isolant et au dessus de cette concentration, le système est conducteur. Pour une fraction d'inclusions conductrices, plus faible que la fraction critique c il peut y apparaître seulement des amas conducteurs localisés, isolés les uns des autres. Lorsque le dopage atteint la valeur critique c appelée "seuil de conduction ou de percolation", déterminé expérimentalement, un amas conducteur continu apparaît144. Ce seuil dépend fortement de la taille des particules et de leur forme145. Malheureusement le maximum de permittivité est obtenu pour les valeurs proches de la percolation comme l’illustre la Figure 28et l’équation ci-dessous 146.
( ) / q
i c c
(2)
Avec q est l'exposant critique de constante diélectrique.
Figure 28 : Evolution schématique des propriétés électriques dans un système binaire percolant
Malgré l’inconvénient que la permittivité augmente en parallèle avec la conduction donc les pertes, des résultats encourageants laissent supposer que cette méthode de charge est très prometteuse pour l’augmentation des propriétés électro-mécaniques des PEAs147. A titre d’exemple, les résultats de Zang et al. 148sur P(VDF-TrFE) chargés avec 40% en masse de cuivre-phthalocyanine olygomer ont montré une augmentation d’un facteur 10 de la permittivité (40 à 425), pour des pertes tan δ=0.7.
Les propriétés diélectriques des composites dépend de la fraction volumique, la taille et la forme de charges métalliques comprenant la procédure de préparation, la liaison entre les charges et la matrice ou entre les phases conductrices et non conductrices149,150,151 les composites avec différentes charges, Fe, Ag, W, Zn, Cu, et Ni sont aussi des candidat pour l’augmentation des propriétés électriques, le Cuivre
particulier, Qureshi et al. Ont constaté que la permittivité des composites chargés par des particules de Cu est plus haut que des charge d Aluminium (Al) dans des composites de types PVC ou PMMA. 147
Dans notre travail, on étudie le comportement diélectrique des composites types : PU et P(VDF-TrFE-CFE) chargés avec des nanoparticules de carbone (CB) et des charges de Cu , l’effet de la taille de charges sue la permittivité des composites a été également étudiée. Le Tableau 8 présente la taille moyenne des particules et la densité de charge.
Type de particules Densité (g/cm3) La taille moyenne des particules Nanoparticule de carbone (CB) 2.2 30 nm Nanoparticule de Cuivre (NCu) 8.94 100 nm µ-particule de Cuivre (MCu) 8.94 10 µm
Tableau 8 : La densité et la taille des charges.